Idag bär de flesta av oss en ganska kraftfull dator i handen – en smartphone. Men datorer har inte alltid varit så bärbara. Sedan 1980-talet har de blivit mindre, lättare och bättre utrustade för att lagra och bearbeta stora mängder data. Men de kiselchips som driver datorerna kan inte bli hur små som helst.
”Under de senaste 50 åren har antalet transistorer som vi kan placera på ett chip fördubblats vartannat år”, säger Kun Wang, biträdande professor i fysik vid University of Miami College of Arts and Sciences. ”Men vi närmar oss snabbt de fysiska gränserna för kiselbaserad elektronik, och det blir allt svårare att miniatyrisera elektroniska komponenter med de metoder som vi har använt i ett halvt sekel.”
Det är ett problem som Wang och många andra inom molekylär elektronik hoppas kunna lösa. Mer specifikt letar de efter ett sätt att leda elektricitet utan att använda kisel eller metall, som används för att tillverka datachips idag. Att använda små molekylära material för funktionella komponenter, som transistorer, sensorer och kopplingar i elektroniska chips, erbjuder flera fördelar, särskilt när traditionella kiselbaserade tekniker närmar sig sina fysiska och prestandamässiga gränser.
Men att hitta den ideala kemiska sammansättningen för denna molekyl har ställt forskarna inför en svår uppgift. Nyligen har Wang, tillsammans med sina doktorander Mehrdad Shiri och Shaocheng Shen, samt samarbetspartnerna Jason Azoulay, docent vid Georgia Institute of Technology, och Ignacio Franco, professor vid University of Rochester, upptäckt en lovande lösning.
I veckan presenterade teamet vad de anser vara världens mest elektriskt ledande organiska molekyl. Deras upptäckt, som publicerades i Journal of the American Chemical Society, öppnar nya möjligheter för att konstruera mindre och kraftfullare datorer på molekylär nivå. Ännu bättre är att molekylen består av kemiska element som finns i naturen – främst kol, svavel och kväve.
”Hittills finns det inget molekylärt material som låter elektroner passera utan betydande förlust av ledningsförmåga”, säger Wang. ”Detta arbete är det första som visar att organiska molekyler kan låta elektroner migrera utan någon energiförlust över flera tiotals nanometer.”
Testningen och valideringen av deras unika nya molekyl tog mer än två år.
Men teamets arbete visar att deras molekyler är stabila under normala omgivningsförhållanden och erbjuder högsta möjliga elektriska ledningsförmåga vid oöverträffade längder. Därför kan det bana väg för klassiska datorer som blir mindre, mer energieffektiva och kostnadseffektiva, tillägger Wang.
För närvarande minskar en molekyls förmåga att leda elektroner exponentiellt när molekylstorleken ökar. Dessa nyutvecklade molekylära ”ledningar” är nödvändiga motorvägar för att information ska kunna överföras, bearbetas och lagras i framtidens datorer, säger Wang.
”Det unika med vårt molekylära system är att elektroner färdas genom molekylen som en kula utan energiförlust, vilket teoretiskt sett är det mest effektiva sättet att transportera elektroner i vilket materialsystem som helst”, konstaterar Wang. ”Det kan inte bara minska storleken på framtida elektroniska enheter, utan dess struktur kan också möjliggöra funktioner som inte ens var möjliga med kiselbaserade material.”
Wang menar att molekylens egenskaper kan skapa nya möjligheter att revolutionera molekylbaserad kvantinformationsvetenskap.
”Den extremt höga elektriska ledningsförmågan som observerats i våra molekyler är ett resultat av en fascinerande växelverkan mellan elektronernas spinn i molekylens båda ändar”, tillägger han. ”I framtiden skulle man kunna använda detta molekylsystem som en kvantbit, vilket är en grundläggande enhet för kvantdatorer.”
Teamet upptäckte dessa egenskaper genom att studera sin nya molekyl under ett sveptunnelmikroskop (STM). Med hjälp av en teknik som kallas STM break-junction kunde teamet fånga en enskild molekyl och mäta dess konduktivitet.
Shiri, doktoranden, tillade: ”När det gäller tillämpningar är denna molekyl ett stort steg mot praktiska tillämpningar. Eftersom den är kemiskt robust och luftstabil kan den till och med integreras med befintliga nanoelektroniska komponenter i ett chip och fungera som en elektronisk ledning eller förbindelse mellan chip.”
Dessutom är de material som behövs för att komponera molekylen billiga och kan tillverkas i ett laboratorium.
”Detta molekylära system fungerar på ett sätt som inte är möjligt med dagens konventionella material”, säger Wang. ”Det här är nya egenskaper som inte skulle öka kostnaden men som skulle kunna göra (datorutrustning) mer kraftfull och energieffektiv.”
Mer information: Shaocheng Shen et al, Long-Range Resonant Charge Transport through Open-Shell Donor–Acceptor Macromolecules, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.4c18150